基于新型電力系統“網-荷”互動場景的物聯網通信模式探索研究

胡志豪，李 昱，宋廣磊，解 鵬，羅瑞雪，常喜強

（1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.國網新疆電力信息通信公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

最近，國網新疆電力公司完成南疆四地州煤改電工程建設驗收。和田策勒縣花園村地處策勒縣西北面，距縣城13 km，屬于典型的“偏遠散”村，開展分散式電采暖負荷柔性控制試點，完成電采暖項目改造，解決了全村507戶、1 969人的電采暖問題，分別改造部署LoRa、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）智能溫控器635臺、397臺。通過智能溫控器加碳晶板電采暖設備，實現對整村的電采暖負荷控制。現階段，新疆絕大部分偏遠地區電力基礎設施薄弱，多采取城網、農網配電模式。同時，受地理環境等實際因素影響，建設難度大、成本高、遠期維護困難。對于電采暖此類的熱負荷，具有熱慣性，可調度性強。通過物聯網技術搭建分散式負荷監測，進行負荷計量分析和控制調度，解決偏遠地區人們的電采暖問題。

現階段物聯網技術主要分為兩類：一類是ZigBee、Wi-Fi、藍牙、Z-wave等適用于智能家居、智慧生活的短距離通信技術；另一類低功率廣域網絡（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）是 LoRa、SigFox、EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等應用于工業生產的低功耗、遠距離的通信技術。在新型電力系統建設中，相較于其他LPWAN技術，LoRa和NBIoT成熟度高，被廣泛認可應用于輸、變、配電各個領域，并試點成功。

本文通過對比分析LoRa和NB-IoT的技術特點，對其在新型電力系統中電力柔性負荷控制和配網智能傳感應用場景進行分類研究，以期為新型電力系統建設、各類新興負荷控制、終端設備信息采集、配電智能傳感等提供靈活接入的支撐。

1 物聯網與新型電力系統概述

物聯網是互聯網技術的進一步發展，由感知層面、網絡層和應用層3個部分構成[1]。通過傳感器技術、射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）標簽、嵌入式系統技術等互聯網通信技術將物理對象唯一化并接入物聯網網絡，進行數據寫入，信息交互和智慧調度，提高人與物、物與物的交互效率，廣泛應用于智能家居、智慧交通、智能醫療、智能電網、智能物流以及智能農業等各領域。

新型電力系統是傳統電力系統的進一步發展，是發電、輸電、配電一體化經營模式，通過輸電公司牽動發電與配電統籌協調，利用數字化技術實現“源-網-荷-儲”的高效互動、多網融合，具備高比例可再生能源、高比例電力電子、靈活柔性、安全可控的特征[2]。常通過有線、無線靈活組網模式，輔以RFID、傳感器等物聯網技術，進行實時數據采集和狀態監測，解決分布式微型負荷和智能配電傳感的接入、并網、調度、消納等一系列問題，實現“云邊端”的統籌和靈活調配，打造“網隨云動，云網協同”的運營模式，提高電網的泛在接入能力和開放共享能力。

2 NB-IoT和LoRa技術概述

NB-IoT是一種基于蜂窩網絡無線通信技術的低功耗網絡技術標準，所使用的授權頻段都是1GHz以下，依托于全球移動通訊系統（Global System for Mobile Communications，GSM）網絡、通用移動通信系統（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）網絡或長期演進（Long Term Evolution，LTE）網絡建立，采用半雙工通信模式，實現低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，具有覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構優等特點。NB-IoT使用License頻段，可根據頻譜、帶寬、時延等相關要求，靈活采取帶內、保護帶或獨立載波3種部署方式，與現有網絡共存，如圖1所示。

圖1 NB-IOT結構部署圖

LoRa是一種低功耗廣域網中的通信技術，是Semtech公司專有的一種基于擴頻技術且有著超遠傳輸距離的無線通信技術[3]。終端一般采用星形拓撲結構，有3種工作模式，分別是ClassA、B和C，不同的工作模式以滿足不同場景的應用需求[4]。采用擴頻通信技術提高接收機靈敏度，通過LoRa 網關、采集終端、中央服務器之間的連接配置協議，終端設備通過單跳與一個或多個網關通信，實現平臺節點之間雙向通信。根據香農定理結合擴頻通信原理得出，信道容量一定時，可增大帶寬降低信噪比，提高系統的抗干擾性能。同時相比頻分多址和碼分多址可接入更多的用戶量，滿足部署靈活、功耗低、遠距離的通信要求，如圖2所示。

圖2 LoRa結構部署圖

3 NB-IoT和LoRa技術比較分析

根據表1可得出，從建設部署和技術指標上進行對比，LoRa和NB-IoT均可以實現遠距離、低功耗的數據傳輸，兩者之間差別在于是否工作于授權頻譜和部署靈活性等方面：NB-IoT技術所采用的頻段是運營商授權頻段，可避免其他干擾，安全指數可達到電信級。基站部署需運營商新建 窄帶或對現有4G網絡升級，存在業務所需區域無網絡覆蓋的情況；LoRa技術則通過多層加密技術實現在公共頻譜上進行傳輸。在抗干擾性方面，采用線性Chirp擴頻調制的方式保證其數據的安全性，常用于軍事領域的通信。基站部署靈活、自主可控，終端、網關、服務器網絡采用半雙工數據通信模式。結合電網建設自主化的發展需要，打造滿足偏遠無網絡覆蓋地區的接入要求的專用電力通信網絡。

表1 NB-IoT和LoRa技術對比

4 NB-IoT和LoRa在新型電力系統場景應用探索

新型電力系統業務可以分為兩類：一類是延遲容忍業務，其特點是數據速率低、接入設備量龐大、對傳輸延遲不敏感（如電力利用信息采集和負載控制）。另一類是關鍵任務業務，需要實時或接近實時的數據傳輸，如配電自動化。NB-IoT和LoRa的通信特點適合處理延遲容忍業務，降低硬件成本。終端設備可根據應用場景、業務需要進行定制選擇，常用傳感器包括：智能電表、有害氣體檢測儀、煙感、水浸、傾角、溫濕度傳感器等，通過傳感器終端收集各類數據并通過各自協議發送至基站，實現配電自動化、負荷控制、線路接頭盒狀態監測、充電樁等領域應用。由于LoRa協議具有一定的獨特性，因而該協議可以根據客戶的要求針對性地改變協議內容，然后以最快的速度、最低的成本來完成網絡部署。尤其是對于數據安全性要求比較高的專用網絡來說[5]。根據電力系統不同業務需求，開發新型傳感終端，實現接入能力、業務可靠性、運維效率的提升，為電力系統末端接入提供切實可行的方案。

5 典型應用場景

5.1 電力柔性負荷控制

新疆南北疆部分偏遠地區人口密度小、地形復雜、架線難度大、投資成本高，后期維護困難，不利用電網運營，引進LoRa技術通過無線通信手段，實現對偏遠地區大面積覆蓋，可以有效解決偏遠地區負荷接入難的問題。通過搭建負荷控制平臺，對負荷統一調度，引導集中柔性負荷參與電網的負荷調節，通過負荷調節算法進行科學高效的負荷調度，削峰填谷，降低電網峰谷差。利用電力負荷的時變特性進行調度，實現電力調度系統升級，發揮柔性負荷的優勢，如圖3所示。柔性負荷是指用電量可在用戶指定范圍內根據接收到的指令要求進行“伸縮”或在不同時間段間進行轉移，但是總用電量不變的負荷[6]。柔性負荷具有靈活調度、雙向調節的特點，能夠進一步優化電網調度模式。具有“源”和“荷”雙重柔性特征，在優化用戶負荷曲線、改善電網谷峰差、支撐可再生能源消納等方面都有出色的表現。現階段電網調度模式主要為集中式，柔性負荷通常以配電網、專變用戶、負荷聚合商等分布式調度單元形式出現。與集中式方法相比，分布式調度可以在每個智能體中同時進行一致性變量的迭代計算。領導者負責系統功率平衡的集中調整，確保所有智能體在迭代計算后能收斂。因而分布式方法有較大的靈活性和可擴展性[7]。處理分布式的能源調度和電網統一調度中個體與整體的決策協調是實現柔性負荷控制的重點，進行分布式控制單元的實時建模并參數擬合、研究與輸電網調度中心交換交互模型和計算方法。通過價格信號、激勵機制、調度指令等措施，利用柔性負荷作為補充參與電力調度，進行發電側的調節，優化能源配置。同時，著力風力、太陽能的開發利用，建設可再生能源的消納機制，采用負荷控制中心或者自動需求響應模式進行負荷控制，實現削峰填谷。利用物聯網技術對可激勵負荷和可中斷負荷的分級管控，按需調整，實現傳統負荷與新型柔性負荷的聯合調度，完成負荷從人工監控、遙測、遙控到自動調整的轉變，提高電力系統的運行效率。

圖3 基于物聯網模式下負荷控制圖

隨著電力系統規模的不斷擴大，負荷控制方式不斷優化，包括電力載波通信、架空明線、數字微波、衛星通信、光纖通信等多種通信方式。電力通信網的傳輸速率、傳輸時延、帶寬容量、接入方式不斷升級，電網運行、經營、管理水平不斷提升。引進物聯網技術，實現分布式柔性負荷控制，能夠完成特殊情況下負荷的快速精準切除和接入，進行能源高效調度，削峰填谷，推進新型電力系統的構建。

5.2 配網智能感知

配網感知系統用于配電自動化、智能巡檢、用電信息采集、柔性負荷控制以及變電站無人值守等，其核心是建立電力物聯網架構，實現終端設備感知與控制，通信端信息上傳與下發，應用端基于大數據分析及人工智能應用，形成決策。終端設備如充電樁、光纖傳感器、溫度傳感器等負責信息的采集，LoRa、ZigBee、NB-IoT等通信網絡負責整個系統信息的傳遞，應用端負責信息處理和分析決策。本文以新疆阿勒泰地區智慧機井群控系統為例分析配網感知應用。

隨著互聯網技術的蓬勃發展，電子商務已經成為全球范圍內重要的經濟模式之一，隨著2015年李克強總理在政府工作報告中提出“大眾創業，萬眾創新”的行動號召，雙創已成為這個時代的鮮明主題，各個行業都面臨著“互聯網+”的轉型。電子商務，正不斷地改變著人們的生產生活方式，可謂是大眾創業，萬眾創新的“新引擎”。

智慧機井群控系統由感知層、網絡層、平臺層、應用層組成，圖4為智慧機井群控系統物聯網架構圖。感知層熵情傳感器監測土壤溫濕度，超聲波流量計和壓力變送器監測機井出水口水流量、流速和水壓，智能塑殼斷路器監測機井三相電壓、三相電流、功率因素等電力數據，北斗斷路器饋線自動化終端監測10 kV線路電力數據。網絡層由LoRa通信、RS485通信、北斗通信組成。雖然LoRa通信與ZigBee通信都屬于常用的物聯網通信模式，但是LoRa通信傳輸距離遠，最遠達15 km，非常適合于農田范圍廣、傳感器布局分散的情況。平臺層由北斗接入平臺、物聯網管理平臺、安全接入平臺組成。應用層由配網IV區云主站、農業智慧用能平臺、智能灌溉小程序組成。智能灌溉小程序負責展示農民土壤溫濕度、機井運行狀況及機井開關申請。配網IV區云主站、農業智慧用能平臺負責機井負荷柔性調度，當線路出現重過載情況時，基于線路負荷情況、土壤溫濕度、機井運行狀況生成柔性負荷調度命令，有序調控機井，保障線路運行安全。

圖4 智慧機井群控系統物聯網架構圖

6 結 論

綜上所述，建立LoRa技術物聯網平臺，實現全疆偏遠地區的可中斷柔性負荷控制，例如：電采暖、空調、電梯等，實現一種自主可控、便于維護的“網-荷”互動場景的物聯網通信控制模式，在全疆推廣應用。滿足偏遠地區多連接、低功耗、遠距離的傳輸要求，實現在基礎環境監測、生產控制業務、用電采集業務等場景的應用。解決電力通信“最后一公里”問題。

為解決LoRa技術在低時延應用領域的缺失，將依托于現有試點經驗，結合5G和北斗新技術，不斷探索LoRa技術在輸電、變電、配電等相關低時延領域的應用方案，對構建新型電力系統提供關鍵支撐。